DE102015209117A1

DE102015209117A1 - Interferentielle Positionsmesseinrichtung und Verfahren zum Betrieb einer interferentiellen Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102015209117A1
Application number: DE102015209117.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Meissner; Jörg Drescher; Wolfgang Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2015-12-10
Also published as: JP6395666B2; US20150354937A1; JP2015230310A; US9664502B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine interferentielle Positionsmesseinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer interferentiellen Positionsmesseinrichtung. Darüber ist die Bestimmung der Position eines Objektes möglich, das entlang mindestens einer Messrichtung beweglich angeordnet ist. Hierzu erfährt ein von einer Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel eine Aufspaltung in mindestens zwei Teilstrahlenbündel, von denen mindestens eines ein oder mehrere optische Funktionselemente am Objekt beaufschlagt. Anschließend kommen an einem Überlagerungsort die Teilstrahlenbündel zur interferierenden Überlagerung, so dass dann mindestens ein resultierendes Signalstrahlenbündel in Richtung einer Auswerteeinheit propagiert, über die mindestens ein positionsabhängiges Messsignal aus dem Signalstrahlenbündel erzeugbar ist. Im Signalpfad ist nach dem Überlagerungsort und vor einer Signaldigitalisierung mindestens ein Schaltelement zur Festlegung eines definierten Abtastzeitpunkts angeordnet.

Description

Interferentielle Positionsmesseinrichtung und Verfahren zum Betrieb einer interferentiellen Positionsmesseinrichtung
GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine interferentielle Positionsmesseinrichtung, die zur hochgenauen Bestimmung der Relativposition zweier zueinander beweglicher Objekte geeignet ist sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Positionsmesseinrichtung.
STAND DER TECHNIK
Hochgenaue Positionsmesseinrichtungen werden zur Positionserfassung von bewegten Objekten in unterschiedlichsten Maschinen, wie z.B. in Werkzeugmaschinen oder in Maschinen zur Halbleiterfertigung eingesetzt. Insbesondere in den letztgenannten Systemen resultieren zunehmend höhere Verfahrgeschwindigkeiten der relativ zueinander zu positionierenden Maschinenkomponenten; dies hat entsprechend hohe Anforderungen für die Positionsbestimmung zur Folge, z.T. werden hier etwa Positionierungsgenauigkeiten im Bereich weniger Nanometer verlangt.
Üblicherweise ist in derartigen Maschinen eine möglichst gleichzeitige Positionsbestimmung entlang mehrerer Messachsen erforderlich, um dadurch z.B. die Position eines bewegten Objekts in mehreren räumlichen Freiheitsgraden zu bestimmen. Erfolgt die Positionserfassung in den verschiedenen Messachsen dabei zu unterschiedlichen Zeitpunkten, so hat dies Fehler in der Bestimmung der räumlichen Position des Objekts zur Folge. Beispielsweise können zeitliche Schwankungen in der Positionserfassung an mehreren Messachsen im Bereich weniger Nanosekunden bei den gegebenen hohen Verfahrgeschwindigkeiten Positionsfehler in der Größenordnung mehrerer Nanometer zur Folge haben. Derartige Verschiebungen der Positionserfassungs-Zeitpunkte seien nachfolgend auch als Einspeicherjitter bezeichnet.
Zur Lösung dieser Problematik ist aus der EP 1 334 332 B1 bekannt, den resultierenden Einspeicherjitter zu vermeiden, indem über ein Anforderungssignal einer Maschinen-Steuereinheit ein Lichtimpuls erzeugt wird, mittels dem in einer optischen Positionsmesseinrichtung die verwendete Maßverkörperung abgetastet wird. Über den erzeugten Lichtimpuls ist dann präzise der Zeitpunkt der Positionsbestimmung definiert. Als Positionsmesseinrichtung wird in dieser Druckschrift eine gitterbasierte optische Positionsmesseinrichtung eingesetzt, zur Abtastung können sowohl abbildende als auch interferentielle Abtastverfahren zum Einsatz kommen. Für hochgenaue Messungen eignen sich insbesondere die erwähnten interferentiellen Positionsmesseinrichtungen, wobei neben den gitterbasierten Varianten auch rein interferometrische Varianten grundsätzlich einsetzbar sind. In derartigen interferentiellen Positionsmesseinrichtungen erfährt ein von einer Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel eine Aufspaltung in mindestens zwei Teilstrahlenbündel, von denen mindestens ein Teilstrahlenbündel ein geeignetes Funktionselement am Objekt ein oder mehrere Male beaufschlagt. Im Fall der gitterbasierten Variante handelt es sich beim Funktionselement um eine Maßverkörperung, im Fall einer interferometrischen Variante um einen Reflektorspiegel bzw. einen Retroreflektor. Anschließend kommen die Teilstrahlenbündel an einem Überlagerungsort zur interferierenden Überlagerung und propagieren dann als mindestens ein resultierendes Signalstrahlenbündel in Richtung einer Auswerteeinheit, die mindestens ein positionsabhängiges Messsignal aus dem Signalstrahlenbündel erzeugt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Möglichkeit anzugeben, eine hochgenaue Positionsmessung unter Verwendung einer interferentiellen Positionsmesseinrichtung sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine interferentielle Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Desweiteren wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer interferentiellen Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer interferentiellen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den von Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Die erfindungsgemäße interferentielle Positionsmesseinrichtung dient zur Bestimmung der Position eines Objektes, das entlang mindestens einer Messrichtung beweglich angeordnet ist. Ein von einer Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel erfährt hierbei eine Aufspaltung in mindestens zwei Teilstrahlenbündel, von denen mindestens ein Teilstrahlenbündel ein oder mehrere optische Funktionselemente am Objekt beaufschlagt. Diese kommen anschließend an einem Überlagerungsort zur interferierenden Überlagerung. Mindestens ein resultierendes Signalstrahlenbündel propagiert in Richtung einer Auswerteeinheit, über die mindestens ein positionsabhängiges Messsignal aus dem Signalstrahlenbündel erzeugbar ist. Im Signalpfad ist nach dem Überlagerungsort und vor einer Signaldigitalisierung mindestens ein Schaltelement zur Festlegung eines definierten Abtastzeitpunkts angeordnet.
Es kann dabei vorgesehen werden, dass das Schaltelement mehrere Kanäle aufweist, denen jeweils ein Signalstrahlenbündel zugeordnet ist.
In einer möglichen Ausführungsform kann das Schaltelement zwischen dem Überlagerungsort und mehreren nachgeordneten optoelektronischen Detektorelementen angeordnet und geeignet zum optischen Modulieren der Signalstrahlenbündel ausgebildet sein.
Dabei kann das Schaltelement als optischer Modulator mit zeitlich definiert schaltbarer Durchlasscharakteristik ausgebildet sein.
Desweiteren ist möglich, dass das Schaltelement als optischer Halbleiterverstärker mit zeitlich definiert schaltbarer Verstärkungscharakteristik ausgebildet ist.
Alternativ kann ferner vorgesehen sein, dass das Schaltelement mehreren optoelektronischen Detektorelementen nachgeordnet und als elektrisches Schaltelement ausgebildet ist, um die aus den Signalstrahlenbündeln erzeugten Signale vor der Zuführung an nachfolgende Signalverarbeitungselemente elektrisch zu modulieren.
In einer möglichen Variante ist das optische Funktionselement als Maßverkörperung mit einer periodischen Messteilung ausgebildet, das von mindestens zwei aufgespaltenen Teilstrahlenbündeln beaufschlagt wird.
Alternativ hierzu kann das optische Funktionselement als Reflektorspiegel in einem Messarm ausgebildet sein, das von einem ersten Teilstrahlenbündel beaufschlagt wird, während ein zweites Teilstrahlenbündel einen demgegenüber stationären weiteren Reflektorspiegel in einem Referenzarm beaufschlagt.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle derart ausgebildet, um in einem kontinuierlichem Betrieb zu arbeiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer interferentiellen Positionsmesseinrichtung dient zur Bestimmung der Position eines Objektes, das entlang mindestens einer Messrichtung beweglich angeordnet ist. Hierbei wird ein von einer Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel in mindestens zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten, von denen mindestens eines ein oder mehrere optische Funktionselemente am Objekt beaufschlagt und anschließend an einem Überlagerungsort die Teilstrahlenbündel interferierend überlagert werden. Dann propagiert mindestens ein resultierendes Signalstrahlenbündel in Richtung einer Auswerteeinheit, über die mindestens ein positionsabhängiges Messsignal aus dem Signalstrahlenbündel erzeugt wird. Über mindestens ein Schaltelement, das im Signalpfad nach dem Überlagerungsort und vor einer Signaldigitalisierung angeordnet ist, wird ein definierter Abtastzeitpunkt festgelegt.
Es kann vorgesehen werden, dass über das zwischen dem Überlagerungsort und mehreren nachgeordneten optoelektronischen Detektorelementen angeordnete Schaltelement das mindestens eine Signalstrahlenbündel optisch moduliert wird.
Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass über das mehreren optoelektronischen Detektorelementen nachgeordnete Schaltelement die aus den Signalstrahlenbündeln erzeugten Signale vor der Zuführung an nachfolgende Signalverarbeitungselemente elektrisch moduliert werden.
Mit Vorteil wird die Lichtquelle kontinuierlich betrieben.
Es ist desweiteren möglich, dass das Schaltelement über ein Taktsignal zeitlich definiert ein- und ausgeschaltet wird.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass

– über ein zwischen dem Überlagerungsort und mehreren nachgeordneten optoelektronischen Detektorelementen angeordnetes erstes Schaltelement das mindestens eine Signalstrahlenbündel optisch moduliert wird und
– über ein mehreren optoelektronischen Detektorelementen nachgeordnetes zweites Schaltelement die aus den Signalstrahlenbündeln erzeugten Signale vor der Zuführung an nachfolgende Signalverarbeitungselemente elektrisch moduliert werden.

Zur Vermeidung eines ggf. resultierenden Einspeicherjitters wird erfindungsgemäß also anstelle gepulst betriebener Lichtquellen eine Modulation im Signalpfad nach der Überlagerung der interferierenden Teilstrahlenbündel und vor einer Signaldigitalisierung vorgesehen. Auf diese Art und Weise wird das Signal vor der mit einem Einspeicherjitter behafteten Signal-Weiterverarbeitung, z.B. der A/D-Wandlung etc., gepulst, um so einen definierten Abtastzeitpunkt exakt festzulegen. Es sind im Unterschied zum Stand der Technik damit keine gepulst betriebenen Lichtquellen hoher Leistung mehr zwingend erforderlich, die üblicherweise einen relativ hohen technischen Aufwand erfordern. Es lassen sich deutlich weniger aufwändige Lichtquellen einsetzen, nämlich im Dauerbetrieb arbeitende Lichtquellen hoher Leistung wie z.B. geeignete cw-Laser-Lichtquellen. Es stehen somit auch Lichtquellen mit großen Kohärenzlängen zur Verfügung, die bei bestimmten hochgenauen Messprinzipien erforderlich sind. Auf diese Art und Weise können damit nicht nur gitterbasierte Positionsmesseinrichtungen mit Maßverkörperungen als optisches Funktionselement realisiert werden, darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung auch als Interferometer ausgebildet werden. In derartigen Interferometern ist das optische Funktionselement als beweglicher Reflektorspiegel in einem Messarm ausgebildet und desweiteren ein Referenzarm mit einem demgegenüber stationären Reflektorspiegel vorgesehen. Als weiterer Vorteil ist im Fall der Ausbildung als Interferometer zu erwähnen, dass dann durch das erfindungsgemäße Schalten bzw. Pulsen erst nach der erfolgten Überlagerung der Teilstrahlenbündel keine Änderung des Signal-Modulationsgrades über den Messweg resultiert. Im Fall des Pulsens vor der Überlagerung würden immer zwei gegeneinander zeitlich verzögerte Pulse interferieren. Dies würde zu einem Abfall des Modulationsgrades mit dem Längenunterschied zwischen Mess- und Referenzarm führen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit den Figuren erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt
1 eine stark schematisierte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung;
2a–2d jeweils schematisierte Signaldarstellungen zur Erläuterung des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung;
3 eine schematisierte Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines geeigneten Schaltelements;
4 eine schematisierte Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform eines geeigneten Schaltelements;
5 eine stark schematisierte Teil-Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung;
6 eine stark schematisierte Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der 1 und 2a–2d beschrieben. Hierbei zeigt 1 eine stark schematisierte Darstellung dieses Ausführungsbeispiels, die 2a–2d jeweils schematisierte Signaldarstellungen zur Erläuterung des grundsätzlichen Funktionsprinzips.
Im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße interferentielle Positionsmesseinrichtung als gitterbasierte Positionsmesseinrichtung ausgebildet, die u.a. ein als Maßverkörperung ausgebildetes Funktionselement 10, eine Abtasteinheit 20, eine Lichtquelle 30, ein Schaltelement 40 sowie eine Auswerteeinheit 50 umfasst.
Das Funktionselement 10 ist gegenüber der Abtasteinheit 20 entlang mindestens einer Messrichtung x beweglich angeordnet. Hierbei ist grundsätzlich irrelevant welche Komponente stationär bzw. beweglich angeordnet ist, maßgeblich ist lediglich die Relativ-Beweglichkeit von Funktionselement 10 und Abtasteinheit 20 zueinander. So kann etwa das Funktionselement 10 mit einem entlang der Messrichtung x beweglichen Objekt, beispielsweise einer entsprechenden Maschinenkomponente, verbunden sein, deren Position hochgenau gegenüber den hierzu stationären Maschinenkomponenten mit der Abtasteinheit 20 zu bestimmen ist. Die von der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung erzeugten positionsabhängigen Messsignale werden von einer – nicht dargestellten – übergeordneten Maschinensteuerung weiterverarbeitet, beispielsweise zur genauen Positionierung der beweglichen Maschinenkomponente.
Die Maßverkörperung des Funktionselements 10 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Reflexions-Messteilung, die auf einem geeigneten Trägersubstrat angeordnet ist. Die Reflexions-Messteilung besteht z.B. aus periodisch in Messrichtung x angeordneten Teilungsbereichen mit unterschiedlicher Reflektivität oder mit unterschiedlichen phasenschiebenden Wirkungen.
Als Lichtquelle 30 ist ein Laser vorgesehen, der kontinuierlich betrieben wird bzw. im cw-Betrieb arbeitet. Geeignet hierzu sind etwa Fabry-Perot-Laser, DFB-Laser, External-Cavity-Laser oder aber Faser-Laser, deren Strahlung einen großen Wellenlängenbereich von 500nm bis hin zu 2µm abdecken kann. Das von der Lichtquelle 30 emittierte Strahlenbündel wird beispielsweise über eine Lichtleitfaser 80 der Abtasteinheit 20 zugeführt. Die Abtasteinheit 20 kann je nach vorgesehenem optischen Abtastprinzip unterschiedlichste Optikkomponenten umfassen, beispielsweise Gitter, Linsen, Reflektoren, Retroreflektoren etc.. Diese verschiedenen Optikkomponenten sind ebenso wie ein nachfolgend exemplarisch erläuterter Abtaststrahlengang in 1 nicht dargestellt, da die vorliegende Erfindung grundsätzlich unabhängig von einem bestimmten optischen Abtastprinzip ist und in Verbindung mit verschiedensten interferentiellen optischen Abtastprinzipien respektive Abtaststrahlengängen realisiert werden kann.
Das von der Lichtquelle 30 emittierte Strahlenbündel wird in der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung in mindestens zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten; dies kann über geeignete Strahlteiler wie z.B. Gitter oder Strahlteilerwürfel erfolgen. Es ist hierbei möglich, dass die Aufspaltung je nach gewähltem Abtastprinzip entweder bereits in der Abtasteinheit 20 erfolgt oder aber auch erst auf der Maßverkörperung bzw. dem Funktionselement 10. Nach dem ein- oder mehrmaligen Beaufschlagen des Funktionselements 10 durch ein oder beide Teilstrahlenbündel werden die Teilstrahlenbündel schließlich an einem Überlagerungsort wiedervereinigt und gelangen dort zur interferierenden Überlagerung. Mindestens ein resultierendes Signalstrahlenbündel, propagiert dann in Richtung der Auswerteeinheit 50, über die mindestens ein positionsabhängiges Messsignal aus dem Signalstrahlenbündel erzeugbar ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist konkret vorgesehen, das von der Lichtquelle 30 über die Lichtleitfaser 80 und die Abtasteinheit 20 einfallende Strahlenbündel beim ersten Einfall auf die Maßverkörperung in zwei Teilstrahlenbündel aufzuspalten, die dann in Richtung der Abtasteinheit 20 zurückreflektiert werden. Hier erfolgt eine erste Retroreflexion der Teilstrahlenbündel zurück in Richtung der Maßverkörperung, wo eine nochmalige Rückreflexion zur Abtasteinheit 20 resultiert. In der Abtasteinheit 20 erfahren die Teilstrahlenbündel dann eine zweite Retroreflexion in Richtung der Maßverkörperung, wo die Teilstrahlenbündel dann an einem Überlagerungsort zur interferierenden Überlagerung gelangen und als resultierendes Signalstrahlenbündel in Richtung der Abtasteinheit 20 propagieren. In der Abtasteinheit 20 erfolgt sodann eine Aufspaltung in drei Signalstrahlenbündel mit unterschiedlicher Phasenbeziehung, die über die Lichtleitfasern 60.1–60.3, das Schaltelement 40 und die Lichtleitfasern 70.1–70.3 zur Auswerteeinheit 50 gelangen. Auf Seiten der Auswerteeinheit 50 sind in der Darstellung der 1 lediglich die den drei phasenverschobenen Signalstrahlenbündeln zugeordneten optoelektronischen Detektorelemente 51.1–51.3 sowie ein Transimpedanzverstärker 52 als weitere Signalverarbeitungselemente gezeigt. Diese Elemente werden zur Erzeugung mehrerer phasenverschobener, positionsabhängiger Messsignale genutzt, die dann einer – nicht dargestellten – weiteren Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung zugeführt werden, in der dann Signalkorrekturen und die Positionsberechnung stattfinden. Die Positionsdaten werden dann über einen Datenbus in einer festen Taktrate ausgangsseitig zur Verfügung gestellt.
In der Auswerteeinheit 50 werden zunächst die mit Hilfe des Schaltelements 40 generierten Lichtpulse durch die als Photodetektoren ausgebildeten Detektorelemente 51.1–51.3 in elektrische Signale, üblicherweise Photoströme, umgewandelt. Diese Signale werden in einem weiteren Schritt über den Transimpedanzverstärker 52 verstärkt und in einem – nicht in der Figur gezeigten – Ladungsverstärker integriert. Die integrierte Ladung wird in einem folgenden Verarbeitungsschritt digitalisiert und zur Berechnung der Phase sowie der Position zum Abtastzeitpunkt herangezogen. Die integrierte Ladung ist dabei proportional zur Gate-Zeit des Abtastfensters sowie zur Signalamplitude des optischen Signals und kann damit ebenso wie die Intensitätssignale einer herkömmlichen Abtastung zur Berechnung der Phase und der Position herangezogen werden.
Die von der Abtasteinheit 20 generierten Lichtsignale in den Lichtleitfasern 60.1–60.3 sind abhängig von der Position des Funktionselements 10 und werden bei einer Relativbewegung des Funktionselements 10 gegenüber der Abtasteinheit 20 sinusförmig moduliert. Die Frequenz dieser Sinussignale ist proportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Funktionselements 10 und kann bei üblichen Anwendungen zwischen 0 Hz (Stillstand) und ca. 20 MHz liegen (Verfahrgeschwindigkeit von einigen m/s).
In einer herkömmlichen Abtastung gemäß dem Stand der Technik werden diese optischen Sinussignale zunächst mit einem Photodetektor, z.B. einer Halbleiter-Photodiode oder einem Photomultiplier, in einen elektrischen Strom bzw. in einen Photostrom umgewandelt. Verfügbare Laser-Lichtquellen haben eine typische Ausgangslichtleistung von wenigen Milliwatt, die Lichtleistung der einzelnen Ausgangssignale der Abtasteinheit 20 liegt damit typischerweise im Mikrowatt-Bereich. Entsprechend ist vor einer Weiterverarbeitung der Photoströme, z.B. in Form einer Digitalisierung, in bislang bekannten Systemen eine große Verstärkung erforderlich, welche aufgrund der auftretenden hohen Signalfrequenzen eine große Bandbreite besitzen muss. Die Verstärkung kann dabei z.B. mittels Transimpedanzverstärkern erfolgen, die den Photostrom in eine Spannung umwandeln, welche anschließend von einem Analog-Digitalwandler digitalisierbar ist. Gleichzeitig muss diese Verstärkung möglichst rauscharm erfolgen, da ein dabei resultierendes Rauschen sonst ein Rauschen in der zu berechnenden Ausgangsphase und Position verursachen würde. Diese hohen Anforderungen an die Verstärkung der Photoströme führen dazu, dass die entsprechenden Verstärker bei hohen Signalfrequenzen nahe der Grenzfrequenz betrieben werden und je nach Verfahrgeschwindigkeit des Funktionselements 10 ein großer Teil des gesamten Frequenzbereiches des Verstärkers durchfahren wird. Unterschiedliche Eingangsfrequenzen können hierbei zu unterschiedlichen Phasendrehungen des Signals im Verstärker und zu unterschiedlichen Gruppenlaufzeiten führen, die Laufzeit des Signals vom eingehenden Lichtsignal bis zur Abtastung z.B. durch einen Analog-Digitalwandler ist folglich nicht konstant sondern abhängig von der Verfahrgeschwindigkeit des Funktionselements 10. Gleichzeitig kann diese Laufzeit zwischen den einzelnen Signalen z.B. durch Streuung von Bauteilen variieren und z.B. durch thermische Drift von Bauteilen schwanken, so dass der Zeitpunkt, zu der eine Position tatsächlich erfasst wird, nicht konstant ist.
Indem man nun demgegenüber erfindungsgemäß die optischen Signale mit Hilfe des Schaltelements 40 abtastet, wird der Abtastzeitpunkt lediglich durch die Schaltzeitpunkte des Schaltelements 40 festgelegt und ist unabhängig von der Eingangsfrequenz der Lichtsignale und damit der Verfahrgeschwindigkeit des Funktionselements 10. Da die Bandbreite der Ansteuerung des Schaltelements 40 nicht den gleichen Einschränkungen unterliegt wie die Verstärkung der geringen Photoströme, kann die Bandbreite dieser Ansteuerung viel höher gewählt werden als die mit empfindlichen Transimpedanzverstärker erreichbare Bandbreite und ist damit wesentlich unempfindlicher gegenüber Bauteilschwankungen und Drifteffekten. Die Wandlung und Verstärkung der Signale geht in diesem Fall nicht mehr in den Abtastzeitpunkt ein. Somit lässt sich mit der erfindungsgemäßen Lösung eine deutlich genauere und driftstabilere Messung respektive Abtastung realisieren.
Da im Falle der erfindungsgemäßen optischen Abtastung nicht mehr ein sinusförmiges Eingangssignal mit hoher Signalfrequenz gewandelt und verstärkt werden muss sondern nach der optischen Abtastung die Ladung eines Pulses integriert und gemessen wird, muss die Bandbreite der Signalwandlung und der Verstärkung nicht mehr der maximalen Eingangsfrequenz entsprechen. Es genügt vielmehr, wenn die nachfolgende Elektronik eine Bandbreite von ca. dem Dreifachen der Abtastfrequenz besitzt, so dass zwischen zwei Abtastimpulsen die Lichtimpulse nahezu vollständig integriert werden. Bei einer beispielhaften Abtastrate von 100 kHz ist also eine Bandbreite von etwa 300kHz ausreichend; gemäß den bislang bekannten Verfahren wäre hierzu eine Bandbreite von mehr als 20MHz erforderlich gewesen. Die Signalverarbeitungs-Elektronik der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dadurch deutlich empfindlicher und rauschoptimierter realisiert werden.
Maßgeblich für die erfindungsgemäße interferentielle Positionsmesseinrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ist somit die Anordnung des nur schematisch in 1 angedeuteten Schaltelements 40 im Signalpfad nach dem Überlagerungsort der Teilstrahlenbündel und vor einer nachfolgenden Signaldigitalisierung bzw. A/D-Wandlung. Darüber kann zuverlässig sichergestellt werden, dass ein definierter Abtastzeitpunkt gewährleistet ist, zu dem die Positionserfassung erfolgt. Ein über die nachfolgende Signalverarbeitung ggf. ansonsten resultierender Einspeicherjitter lässt sich auf diese Art und Weise sicher vermeiden. Die Festlegung des Zeitpunkts der Positionserfassung erfolgt hier demnach ausschließlich durch die synchrone Modulation bzw. das definierte Ein- und Ausschalten der Signalstrahlenbündel, die die Abtasteinheit 20 über die Lichtleitfasern 60.1–60.3 in Richtung Auswerteeinheit 50 verlassen. Das Schaltelement 40 wird zu diesem Zweck über die Signalleitung 90 mittels eines geeigneten Taktsignals von der Auswerteeinheit 50 angesteuert.
Neben einer einzelnen Abtasteinheit kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ferner vorgesehen sein, mehrere Abtasteinheiten zur Abtastung mehrerer Funktionselemente zu nutzen. Über die verschiedenen Abtasteinheiten bzw. Funktionselemente können dann Objektbewegungen entlang mehrere Messrichtungen bzw. mehrerer Bewegungsachsen erfasst werden, z.B. die Pose eines in mehreren räumlichen Freiheitsgraden beweglichen Tisches. Die Signale der verschiedenen Abtasteinheiten können dann z.B. über verschiedene, mittels geeigneter Taktsignale synchronisierte Schaltelemente einer Auswerteeinheit zugeführt werden.
Durch das Festlegen des Abtastzeitpunktes von verschiedenen Abtasteinheiten, etwa über ein gemeinsames Schaltelement oder über das parallele, synchronisierte Ansteuern mehrerer Schaltelemente, kann das Positionssignal der verschiedenen Abtasteinheiten zu einem festen und bekannten Zeitpunkt eingespeichert werden. Die Messwerte der verschiedenen Achsen weisen somit keinen zeitlichen Versatz zueinander auf und die Pose eines Tisches kann auf diese Art und Weise hochgenau bestimmt werden.
Im Fall lediglich einer einzigen Abtasteinheit, über die mehrere phasenverschobene Messsignale bzgl. der Bewegung entlang einer einzigen Messrichtung erfasst werden, erfolgt über die erfindungsgemäßen Maßnahmen die synchrone Erzeugung dieser Signale, die ansonsten auch einem Einspeicherjitter unterliegen würden. Man würde hierbei ohne das erfindungsgemäße Schaltelement die Phasensignale von unterschiedlichen Zeitpunkten miteinander zu einem Positionssignal verrechnen, welches somit nicht die tatsächlich vorhandene und gemessene Position wiederspiegelt.
Entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit, dass sich die quasi-digitale und von der Eingangssignalfrequenz unabhängige Ansteuerung des Schaltelements driftstabiler und genauer realisieren lässt als die beim Stand der Technik vorgesehene analoge Signalkette vom Photodetektor bis zum A/D-Wandler.
Anhand der 2a–2d wird nachfolgend das grundsätzliche Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung weitergehend erläutert. Wie aus 1 ersichtlich, sind hierbei die verschiedenen schematisierten Signaldarstellungen der 2a–2d den entsprechenden Komponenten im Signalpfad zugeordnet.
Im Fall einer Relativbewegung des optischen Funktionselements 10 respektive der Maßverkörperung gegenüber der Abtasteinheit 20 resultieren bei Beleuchtung mittels einer im Dauerbetrieb arbeitenden Lichtquelle 30 die in 2a gezeigten drei periodischen positionsabhängigen optischen Signale I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀, die jeweils einen Phasenversatz von 120° zueinander aufweisen und einen sinusförmigen Verlauf besitzen. In 2a ist die Intensität der Signale I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀ im zeitlichen Verlauf gezeigt. Die erzeugten Signale I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀ werden über die Lichtleitfasern 60.1–60.3 von der Abtasteinheit 20 in Richtung des Schaltelements 40 übertragen.
Erfindungsgemäß wird das Schaltelement 40 nunmehr zeitlich definiert ein- und ausgeschaltet und damit die Signalstrahlenbündel bzw. die entsprechenden optischen Signale I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀ in den Lichtleitfasern 60.1–60.3 intensitätsmäßig zeitlich moduliert. Hierzu wird im geeignet ausgebildeten Schaltelement 40 etwa dessen Durchlasscharakteristik zeitlich definiert verändert, wie dies in 2b gezeigt ist. In dieser Figur ist die Durchlässigkeit T_SE des Schaltelements 40 im zeitlichen Verlauf aufgetragen. Wie daraus ersichtlich, wird in zeitlichen Abständen t_rep für eine Zeitdauer t_P das Schaltelement 40 durchlässig geschaltet, dazwischen auf völlig undurchlässig; die Durchlässigkeit T_SE wird demnach zwischen T_SE = 100% während einer Zeitdauer t_P und einer Durchlässigkeit T_SE = 0% während der Zeitdauer t_rep hin und her geschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Schaltelement 40 drei Kanäle auf, denen jeweils eines der drei erzeugten Signalstrahlenbündel bzw. eines der Signale I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀ zugeordnet ist. 2a zeigt die typische Durchlasscharakteristik in jedem der drei Kanäle. Nach dem Durchlaufen des Schaltelements 40 liegen somit die optischen Signale I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀ in Pulsform vor, wobei die Pulsdauer jedes Signals I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀ nachfolgend mit t_P bezeichnet sei.
In 2c ist schließlich der zeitliche Signalverlauf der verschiedenen Signale I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀, nach dem Durchlaufen des Schaltelements 40 veranschaulicht, d.h. der Verlauf der Signale I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀, wie diese auf die nachgeordneten optoelektronischen Detektorelemente 51.1–51.3 in der Auswerteeinheit 50 treffen. Über die Detektorelemente 51.1–51.3 werden die bislang rein optischen Signale in elektrische Signale umgewandelt und über die Pulsdauer t_P aufintegriert. Pro Signal I₉₀, I₂₁₀, I₃₃₀ ergibt sich dadurch gemäß der Darstellung in 2d ein Wert für jeden Puls, der anschließend digitalisiert, also A/D-gewandelt und für die weitere Signalverarbeitung eingespeichert wird.
Anhand der 3 und 4 werden nachfolgend geeignete Schaltelemente erläutert, wie sie im ersten Ausführungsbeispiel zur erfindungsgemäßen Modulation der Signalstrahlenbündel im Signalpfad einsetzbar sind. Insbesondere eignen sich die vorgeschlagenen Schaltelemente hierbei zur optischen Modulation der Signalstrahlenbündel zwischen dem Überlagerungsort und den mehreren nachgeordneten Detektorelementen.
Die entsprechenden Schaltelemente sind wie bereits oben angedeutet so ausgebildet, dass diese das gleichzeitige Ein- und Ausschalten mehrerer optischer Kanäle ermöglichen, wobei jedem dieser Kanäle eines der verschiedenen Signalstrahlenbündel zugeordnet ist. Dadurch kann das Problem umgangen werden, dass die Schaltelemente im Zeitbereich gegeneinander einem Jitter oder einer Drift unterworfen sind, was letzen Endes wieder als Einspeicherjitter zu einem Messfehler führen würde. Eine Drift der Schaltelemente zueinander würde zur Folge haben, dass z.B. die Abtastzeitpunkte der Signale in Signalpfaden mehrerer Abtasteinheiten zueinander nicht mehr identisch sind. Dies führt bei einer großen Verfahrgeschwindigkeit wieder zu dem Problem, dass Positionen zu unterschiedlichen Zeiten, also letztlich unterschiedliche Positionen miteinander verrechnet werden, um z.B. die Pose eines bewegten Tisches zu berechnen. Dies führt zu den eingangs erwähnten Ungenauigkeiten, die möglichst vermieden werden sollen.
Dasselbe gilt auch wieder für die phasenverschobenen Signale einer einzelnen Abtasteinheit; würden die Abtastzeitpunkte dieser Signale gegeneinander driften, so würde man die Position aus phasenverschobenen Signalen berechnen, die von unterschiedlichen Positionen bzw. Zeiten stammen und somit nicht die wahre Position von Abtasteinheit und Funktionselement wiedergeben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines geeigneten mehrkanaligen Schaltelements 140, ausgebildet als optischer Modulator mit zeitlich definiert schaltbarer Durchlasscharakteristik, ist in 3 in stark schematisierter Form dargestellt. Dieses Schaltelement 140 umfasst i.w. einen planaren Multimode-Wellenleiter 141, in den das von der Abtasteinheit her kommende Signalstrahlenbündel unter einem definierten Winkel zur Stirnfläche des Modulators eingekoppelt wird. Auf einem Teilbereich 141.1 der Oberseite des Multimode-Wellenleiters 141, wo das einfallende Signalstrahlenbündel eine einmalige Totalreflexion erfährt, ist ein Material mit einem elektrisch änderbaren Brechungsindex aufgebracht. Durch Anlegen einer Spannung an diesen Teilbereich 141.1 kann somit definiert eine Totalreflexion ermöglicht oder aber verhindert werden, d.h. darüber ist eine zeitlich definiert schaltbare Durchlasscharakteristik des Schaltelements 140 realisierbar. Alternativ hierzu kann im Teilbereich 141 auf dem Multimode-Wellenleiter 141 auch ein Material verwendet werden, dessen Reflexionsvermögen definiert elektrisch schaltbar ist. Die von der Abtasteinheit her kommenden mehreren Signalstrahlenbündel können somit über die Mehrzahl angedeuteter Kanäle dieses Schaltelements 140 geleitet werden, das quasi einen "schaltbaren Spiegel" umfasst. Somit wird darüber die optische Modulation der Signalstrahlenbündel bzw. das Pulsen derselbigen ermöglicht, bevor über die nachgeordneten Detektorelemente die Umwandlung der optischen Signale in elektrische Signale respektive Photoströme erfolgt.
Die beiden in 3 ausgangsseitig dargestellten Pfeile stellen im übrigen den Lichtweg dar, der sich im eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand ergibt. Ist das optisch aktive Material des Schaltelements 140 in der „Aus“-Stellung gelangt das Licht gerade durch das Schaltelement 140 hindurch und tritt über dessen Oberfläche aus. Ist das Material in der „An“ Stellung, wird das Licht umgelenkt bzw. reflektiert und tritt über die zweite Stirnfläche aus und wird z.B. wieder in einem Multimode-Wellenleiter weitergeführt.
Um den Modulationsgrad eines derart ausgebildeten Schaltelements zu erhöhen, kann desweiteren vorgesehen werden, dass im Multimode-Wellenleiter mehrere Reflexionen der durchlaufenden Teilstrahlenbündel an den Grenzflächen erfolgen. Im Zusammenhang mit derartigen Schaltelementen sei etwa auf das Lehrbuch mit dem Titel „Laser Beam Shaping Applications"; F.M. Dickey et al.; Marcel Dekker, Inc., 2005; S. 95; Bild 2.24 verwiesen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines geeigneten mehrkanaligen Schaltelements 240, nunmehr ausgebildet als optischer Modulator mit zeitlich definiert schaltbarer Verstärkungscharakteristik, ist in 4 in stark schematisierter Form dargestellt. Die Modulation bzw. das definierte Ein- und Ausschalten der von der Abtasteinheit her kommenden Signalstrahlenbündel erfolgt hier mit Hilfe eines optischen Halbleiterverstärkers, den die Signalstrahlenbündel in mehreren Kanälen durchlaufen. Auf der Ober- und Unterseite eines Halbleitersubstrats 241, z.B. ausgebildet als sog. vergrabene Heterostrukturen, sind hierzu Kontaktierungsbereiche 241.1 ausgebildet, über die eine elektrische Spannung an das Halbleitersubstrat 241 anlegbar ist und worüber das Halbleitermaterial absorbierend oder aber mit einem Verstärkungsfaktor größer 1 hin und her geschaltet werden kann. Über die Verwendung geeigneter Halbleitermaterialien können bei derart ausgebildeten Schaltelementen 240 sehr hohe Schaltfrequenzen und damit sehr kurze Pulsdauern bei der optischen Modulation der Signalstrahlenbündel realisiert werden.
Um bei einer derartigen Ausführung einen mehrkanaligen Modulator für mehrere Signalstrahlenbündel auszubilden, können mehrere solche Verstärkerstrukturen nebeneinander auf einem Halbleitersubstrat hergestellt und mit einem gemeinsamem Kontaktierungsbereich versehen werden. Auf diese Art und Weise werden alle Verstärker zeitgleich geschaltet und der Jitter der verschiedenen Kanäle zueinander kann minimiert werden.
Im Fall einer Ausbildung des Schaltelements als optischer Modulator, etwa gemäß den beiden vorstehend erläuterten Varianten, kann dieses je nach konkreter Anwendung entweder direkt in der interferentiellen Positionsmesseinrichtung integriert ausgebildet werden oder aber extern in der Auswerteeinheit angeordnet und angesteuert werden.
Insbesondere im letztgenannten Fall, d.h. bei der Integration des Schaltelements in der Auswerteeinheit, können auch weitere optische Modulatoren als Schaltelemente eingesetzt werden, z.B. akusto-optische oder elektro-optische Modulatoren, Pockels-Zellen oder aber Elektro-Absorptions-Modulatoren, durch die die erzeugten Signalstrahlenbündel der interferentiellen Positionsmesseinrichtung jeweils gemeinsam geleitet werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung sei nunmehr anhand der 5 erläutert, die eine stark schematisierte Teil-Darstellung dieser Variante zeigt, nämlich nur die vorgesehene Auswerteeinheit 350. Bei der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels wird nachfolgend i.w. nur auf die maßgeblichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Die Erzeugung der Signalstrahlenbündel kann in diesem Ausführungsbeispiel erfolgen wie im oben erläuterten ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied dazu ist jedoch das Schaltelement zur Festlegung des definierten Abtastzeitpunkts jetzt nicht im optischen Signalpfad zwischen dem Überlagerungsort der interferierenden Teilstrahlenbündel und den nachgeordneten optoelektronischen Detektorelementen nachgeordnet. Vorliegend ist das Schaltelement 354 demgegenüber als elektrisches Schaltelement ausgebildet, das den optoelektronischen Detektorelementen 351.1–351.6 nachgeordnet ist. Im dargestellten Fall sind im übrigen insgesamt sechs Detektorelemente 351.1–351.6 gezeigt, die zwei separaten Abtasteinheiten zugeordnet sind und über die Bewegungen entlang zweier Achsen erfasst werden können. Es werden damit nicht die auf die optoelektronischen Detektorelemente 351.1–351.6 einfallenden Signalstrahlenbündel bzw. optischen Signale moduliert, sondern die daraus mittels der optoelektronischen Detektorelemente 351.1–351.6 erzeugten elektrischen Signale, bevor diese an weitere Signalverarbeitungselemente weitergeleitet werden, wie z.B. an einen Ladungsverstärker 355 und eine Signalverarbeitungseinheit 356.
In diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung wird alternativ zur oben erläuterten optischen Modulation der Signalstrahlenbündel somit die Signalverarbeitungselektronik über geeignete elektrische Schalter im Schaltelement 354 lediglich für ein, dem Lichtpuls entsprechendes Zeitfenster geöffnet und das Signal erfasst. Während der restlichen Zeit ist die nachgeordnete Signalverarbeitungselektronik mangels geöffneter Schalter des Schaltelements 354 quasi „blind“ bzgl. der anliegenden elektrischen Signale. Ein derartiges Verfahren zur gewünschten Pulserzeugung im Signalpfad nach der Überlagerung der interferierenden Teilstrahlenbündel kann auch als sog. „gated counting“ bezeichnet werden.
Wie in der ersten skizzierten Lösung findet auch hier eine Abtastung des sinusförmigen Eingangssignals mit nachfolgender Signalintegration statt, so dass die dem Schaltelement nachfolgende Elektronik nicht mehr in die Bestimmung des Abtastzeitpunkts eingeht und nicht mehr die Bandbreite der hohen Signalfrequenzen besitzen muss.
Generell ergeben sich bei einem derartigen Vorgehen allerdings erhöhte Anforderungen an die zeitliche Stabilität der Schaltelemente zueinander. Die einzelnen elektrischen Kanäle des Schaltelements 354 können hier nicht mit einem gemeinsamen Modulator bedient werden, sondern müssen jeweils einzeln geschaltet werden. Dadurch bedingt sind die Anforderungen an die zeitliche Stabilität der einzelnen Schalter des Schaltelements 350 zueinander und zur Referenz sehr hoch.
In 6 ist schließlich in analoger, stark-schematisierter Darstellung zum Ausführungsbeispiel in 1 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung gezeigt. Diese Variante ist nunmehr nicht als gitterbasierte Positionsmesseinrichtung ausgebildet sondern als Interferometer. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist demnach das an einem – nicht dargestellten – entlang der Messrichtung x beweglichen Objekt angeordnete optische Funktionselement 410 als Reflektorspiegel ausgebildet: Der Reflektorspiegel wird dabei von einem der beiden in der Abtasteinheit 420 erzeugten Teilstrahlenbündel ein- oder mehrmalig beaufschlagt. Über diesen Strahlengang wird somit ein Interferometer-Messarm ausgebildet, während ein zweites, nach der Aufspaltung resultierendes Teilstrahlenbündel in einem Interferometer-Referenzarm einen stationären weiteren Reflektorspiegel 415 beaufschlagt. Ansonsten entspricht die Ausbildung des Schaltelements 440 mit dem über die Signalleitung 490 zugeführten Synchronisationssignal und der Auswerteeinheit 450 grundsätzlich dem ersten Ausführungsbeispiel.
Wie bereits eingangs erwähnt, muss aufgrund des vorgesehenen Schaltelements im Signalpfad nach der Überlagerung der interferierenden Teilstrahlenbündel, nunmehr keine gepulst betriebene Lichtquelle eingesetzt werden, um einen evtl. resultierenden Einspeicherjitter zu vermeiden. Es lässt sich somit im Fall der Ausbildung der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmesseinrichtung als Interferometer eine optimierte Lichtquelle 430 mit hinreichend großer Kohärenzlänge auswählen wie z.B. ein He-Ne-Laser, ein Nd-YAG-Laser oder ein Faserlaser.
Neben den konkret beschriebenen Ausführungsbeispielen existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten.
So ist beispielsweise möglich, auch Kombinationen aus dem ersten und zweiten erläuterten Ausführungsbeispiel zu realisieren, d.h. Kombinationen aus den Varianten mit vorgesehener optischer und elektrischer Modulation im Signalpfad nach dem Überlagerungsort.
Dabei kann z.B. ein zeitlich langer optischer Puls vor den Detektorelementen über ein als optischer Modulator ausgebildetes Schaltelement generiert werden, aus dem anschließend über das "gated counting" bzw. ein geeignetes Schaltelement zum elektrischen Modulieren ein geeignet kurzer Puls herausgeschnitten wird. Durch die Verlagerung der Modulation auf zwei Prozesse kann für jeden Prozess an sich die Anforderung an den erforderlichen Modulationsgrad geringer ausfallen.
Um den Modulationsgrad zu steigern ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung desweiteren auch der folgende Ansatz realisierbar. So kann die genaue Pulsformung mit Hilfe des optischen Mehrkanal-Modulators erfolgen, zusätzlich erfolgt in der Auswerteeinheit ein "gated counting", über das die nachfolgende Signalverarbeitungselektronik für die Zeit zwischen den Pulsen blind geschaltet wird. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass in diesem Fall die Anforderungen an den zulässigen Jitter der Signalverarbeitungselektronik deutlich geringer sind, da die Definition des Abtastzeitpunktes optisch erfolgt usw..
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1334332 B1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Laser Beam Shaping Applications“; F.M. Dickey et al.; Marcel Dekker, Inc., 2005; S. 95; Bild 2.24 [0061]

Claims

Interferentielle Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position eines Objektes, das entlang mindestens einer Messrichtung beweglich angeordnet ist, wobei ein von einer Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel eine Aufspaltung in mindestens zwei Teilstrahlenbündel erfährt, von denen mindestens ein Teilstrahlenbündel ein oder mehrere optische Funktionselemente am Objekt beaufschlagt, anschließend an einem Überlagerungsort die Teilstrahlenbündel zur interferierenden Überlagerung kommen und dann mindestens ein resultierendes Signalstrahlenbündel in Richtung einer Auswerteeinheit propagiert, über die mindestens ein positionsabhängiges Messsignal aus dem Signalstrahlenbündel erzeugbar ist dadurch gekennzeichnet, dass im Signalpfad nach dem Überlagerungsort und vor einer Signaldigitalisierung mindestens ein Schaltelement (40; 140; 240; 354; 440) zur Festlegung eines definierten Abtastzeitpunkts angeordnet ist.
Interferentielle Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (40; 140; 240; 354; 440) mehrere Kanäle aufweist, denen jeweils ein Signalstrahlenbündel zugeordnet ist.
Interferentielle Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (40; 140; 240; 440) zwischen dem Überlagerungsort und mehreren nachgeordneten optoelektronischen Detektorelementen (51.1–51.3) angeordnet und geeignet zum optischen Modulieren der Signalstrahlenbündel ausgebildet ist.
Interferentielle Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (40; 140; 240; 440) als optischer Modulator mit zeitlich definiert schaltbarer Durchlasscharakteristik ausgebildet ist.
Interferentielle Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (40; 140; 240; 440) als optischer Halbleiterverstärker mit zeitlich definiert schaltbarer Verstärkungscharakteristik ausgebildet ist.
Interferentielle Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (354) mehreren optoelektronischen Detektorelementen (351.1–351.6) nachgeordnet und als elektrisches Schaltelement ausgebildet ist, um die aus den Signalstrahlenbündeln erzeugten Signale vor der Zuführung an nachfolgende Signalverarbeitungselemente elektrisch zu modulieren.
Interferentielle Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Funktionselement (10) als Maßverkörperung mit einer periodischen Messteilung ausgebildet ist, das von mindestens zwei aufgespaltenen Teilstrahlenbündeln beaufschlagt wird.
Interferentielle Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Funktionselement (410) als Reflektorspiegel in einem Messarm ausgebildet ist, das von einem ersten Teilstrahlenbündel beaufschlagt wird, während ein zweites Teilstrahlenbündel einen demgegenüber stationären weiteren Reflektorspiegel in einem Referenzarm beaufschlagt.
Interferentielle Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (30; 430) derart ausgebildet ist, um in einem kontinuierlichem Betrieb zu arbeiten.
Verfahren zum Betrieb einer interferentiellen Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position eines Objektes, das entlang mindestens einer Messrichtung beweglich angeordnet ist, wobei ein von einer Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel in mindestens zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten wird, von denen mindestens eines ein oder mehrere optische Funktionselemente am Objekt beaufschlagt, anschließend an einem Überlagerungsort die Teilstrahlenbündel interferierend überlagert werden und dann mindestens ein resultierendes Signalstrahlenbündel in Richtung einer Auswerteeinheit propagiert, über die mindestens ein positionsabhängiges Messsignal aus dem Signalstrahlenbündel erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens ein Schaltelement (40; 140; 240; 354; 440), das im Signalpfad nach dem Überlagerungsort und vor einer Signaldigitalisierung angeordnet ist, ein definierter Abtastzeitpunkt festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über das zwischen dem Überlagerungsort und mehreren nachgeordneten optoelektronischen Detektorelementen angeordnete Schaltelement (40; 140; 240; 440) das mindestens eine Signalstrahlenbündel optisch moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über das mehreren optoelektronischen Detektorelementen nachgeordnete Schaltelement (354) die aus den Signalstrahlenbündeln erzeugten Signale vor der Zuführung an nachfolgende Signalverarbeitungselemente elektrisch moduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (30; 430) kontinuierlich betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (40; 140; 240; 354; 440) über ein Taktsignal zeitlich definiert ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – über ein zwischen dem Überlagerungsort und mehreren nachgeordneten optoelektronischen Detektorelementen angeordnetes erstes Schaltelement das mindestens eine Signalstrahlenbündel optisch moduliert wird und – über ein mehreren optoelektronischen Detektorelementen nachgeordnetes zweites Schaltelement die aus den Signalstrahlenbündeln erzeugten Signale vor der Zuführung an nachfolgende Signalverarbeitungselemente elektrisch moduliert werden.